冷烧结制备钼基微波复合陶瓷及其5G原型天线应用研究

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冷烧结工艺(Cold Sintering Process,CSP)是一种全新的陶瓷烧结技术,该技术通过引入液相,相比于传统高温烧结(900℃-1500℃),可以在近乎室温的温度(<300℃)下实现陶瓷致密化,近两年来在国际上受到广泛关注。本文通过冷烧结工艺制备微波复合陶瓷,对复合陶瓷的微观结构与微波介电性能三参数(介电常数εr,品质因数Qf=Q×f,谐振频率温度系数τf)的物性关联规律展开研究。最后,优选高品质复合陶瓷制作5G原型陶瓷天线,测试原型天线电磁性能。本文主要内容如下:(1)采用冷烧结在200℃,500MPa下烧结60分钟成功制备出(1-x)Li2MoO4(LMO)-x Mg2SiO4(MSO)(x=0、5、10、15、20、25、30、50、90wt%)体系复合陶瓷,相对密度在85%-100%范围内。XRD、EDS和Raman测试表明:(1-x)LMO-x MSO体系复合陶瓷中只存在LMO和MSO两相,没有其它相,SEM测试显示复合陶瓷具有致密的微观结构。(1-x)LMO-x MSO(x=0、5、10、15、20、30wt%)复合陶瓷的εr范围为5.05~5.3,Q×f范围为9450~24320 GHz。(2)采用冷烧结在160℃,300MPa下烧结60分钟成功制备出(1-x)Li WVO6(LWVO)-x K2MoO4(KMO)(x=60、65、70、75、80、90wt%)体系复合陶瓷,体系陶瓷相对密度大于92%。XRD、Raman测试表明,(1-x)LWVO-x KMO体系复合陶瓷中只存在LWVO和KMO两相,没有其它相。(1-x)LWVO-x KMO体系复合陶瓷的εr值范围为6.8~8.5,Q×f值范围为2050GHz~7180GHz,τf值范围为-49ppm/℃~+25ppm/℃。30wt%LWVO-70wt%KMO复合陶瓷,获得近零温度系数,其εr~7.8,Q×f~4510GHz,τf~1.3ppm/℃。(3)采用冷烧结在180℃,400MPa下烧结60分钟成功制备出(1-x)CaSnSiO5(CSSO)-x K2MoO4(KMO)(x=20、30、35、40、50、60、70、80、90、100wt%)体系复合陶瓷,其相对密度≥98%。XRD、EDS和Raman测试表明:(1-x)CSSO-x KMO体系复合陶瓷中只存在CSSO和KMO两相,没有其它相,SEM测试显示复合陶瓷具有致密的微观结构。(1-x)CSSO-x KMO体系复合陶瓷随着KMO质量百分比的增加,εr值和τf值降低,而Q×f值增加。65wt%CSSO-35wt%KMO复合陶瓷,获得近零的τf值,其微波介电性能:εr~9.17,Q×f~6240GHz,τf~﹣0.5ppm/℃。采用冷烧结工艺将65wt%CSSO-35wt%KMO复合陶瓷与银共烧,SEM和EDS证实CSSO-KMO-Ag三者间没有发生化学反应,化学兼容。使用65wt%CSSO-35wt%KMO复合陶瓷材料作为基板,设计制造中心工作频率为5.2 GHz的5G原型陶瓷微带贴片天线。该天线的S11在-10d B的带宽为144MHz,在5.2 GHz时的天线增益为5.7d Bi,总效率为88.4%。该天线可用于5 GHz工业,科学和医学(ISM)频谱。
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